基于monecarlo方法的質(zhì)子輻射劑量估算

基于monecarlo方法的質(zhì)子輻射劑量估算

空間輻射劑量預(yù)測(cè)是指在科學(xué)家的提議和準(zhǔn)備中對(duì)所需劑量的劑量水平進(jìn)行提前評(píng)估，以預(yù)測(cè)或準(zhǔn)備中受影響的軌跡的航空航天任務(wù)。由于載人航天的昂貴費(fèi)用和空間輻射環(huán)境的多變,在執(zhí)行載人航天任務(wù)之前,必須進(jìn)行空間輻射危險(xiǎn)度評(píng)估。評(píng)估的主要內(nèi)容就是空間輻射將會(huì)在航天器內(nèi)產(chǎn)生的劑量水平、劑量當(dāng)量和人體器官的劑量。依據(jù)美國全國輻射防護(hù)委員會(huì)(NCRP)第142號(hào)報(bào)告建議,對(duì)航天員的劑量估算必須結(jié)合艙內(nèi)艙外和航天服的輻射環(huán)境和輻射輸運(yùn)程序,以得到器官組織的輻射劑量估算值。不同的載人航天任務(wù)的空間輻射環(huán)境是不一樣的。但主要是由不同能量的質(zhì)子組成的。此外,在不同的任務(wù)中,航天器幾何與結(jié)構(gòu)也不相同,進(jìn)行劑量估算時(shí)必須考慮這些因素。若把航天員從整個(gè)體系中獨(dú)立出來,不管是何種空間輻射環(huán)境或者屏蔽,對(duì)于人體組織器官劑量估算而言,僅僅只是計(jì)算時(shí)輸入源項(xiàng)的不同而已。本文把各種不同能量的質(zhì)子的人體組織器官劑量提前計(jì)算出來,利用查找表的形式將計(jì)算結(jié)果存儲(chǔ)起來。不同的任務(wù)采用不同的質(zhì)子注量譜進(jìn)行積分,就能夠快速估算航天員空間輻射劑量。1該算法1.1空間輻射吸收劑量估計(jì)值的計(jì)算設(shè)能量為E0的單能質(zhì)子質(zhì)子從球面入射,在以人體幾何中心為球心的球內(nèi)通量均勻,每一個(gè)入射質(zhì)子對(duì)人體某一個(gè)器官的吸收劑量平均貢獻(xiàn)為DT(E0),若球面注量率為Φ,飛行總時(shí)間為t,那么質(zhì)子空間輻射在此器官上的吸收劑量為D=ΦtDT(E0).D=ΦtDΤ(E0).在空間混合輻射場(chǎng)中,設(shè)通過空間輻射場(chǎng)模型(如AP8等)計(jì)算得到球面總注量率為Φ,空間質(zhì)子微分能譜為f(E),則此次飛行空間質(zhì)子劑量的估計(jì)值為D=Φt∫f(E)DT(E)dE.D=Φt∫f(E)DΤ(E)dE.把微分注量譜用N個(gè)離散點(diǎn)來近似表示,那么上式可以變?yōu)镈=Φt∑i=1Nf(Ei)DTi(Ei)ΔEi.D=Φt∑i=1Νf(Ei)DΤi(Ei)ΔEi.建立一個(gè)人體計(jì)算模型,首先計(jì)算單能質(zhì)子球內(nèi)通量均勻入射情況下每個(gè)人體組織器官的吸收劑量,制成查找表,然后利用空間能譜信息和上述離散公式,得到空間輻射吸收劑量估計(jì)值。再利用國際放射防護(hù)委員會(huì)第60號(hào)報(bào)告提供的輻射權(quán)重因子,就可以得到該組織器官的當(dāng)量劑量估計(jì)值。1.2掃描圖像的小體積元模型為了計(jì)算各種組織器官在質(zhì)子輻射場(chǎng)下的劑量,需要構(gòu)建人體模型,通過MRI全身掃描圖像構(gòu)造了一個(gè)小體積元的人體模型。供掃描的志愿者的身高約170cm,體重將近68kg。掃描的時(shí)候是頭部每隔2mm掃描一層,其余每隔4mm掃描一層。共掃描了480層。利用這套全身MRI圖像,供計(jì)算的人體模型的建立步驟為:1官的輪廓線在每個(gè)原始MRI圖像上首先分割各個(gè)器官的輪廓線,然后再識(shí)別器官。由于著重于關(guān)注輻射敏感器官,識(shí)別出包括骨、紅骨髓和睪丸在內(nèi)的23種人體組織器官。2網(wǎng)格屬性的確定用259×180的網(wǎng)格對(duì)每一層圖像進(jìn)行劃分,利用器官識(shí)別的結(jié)果確定每一個(gè)網(wǎng)格的器官屬性。最后得到一個(gè)4mm×4mm×4mm小體積元組成的人體數(shù)據(jù)集,這個(gè)數(shù)據(jù)集的數(shù)據(jù)包括了每一個(gè)小體積元的中心點(diǎn)坐標(biāo)和器官屬性。3幾何點(diǎn)的組成在MonteCarlo計(jì)算中,除了需要器官的幾何屬性之外,還必須知道該點(diǎn)處的密度和成分組成。利用文可以得到每個(gè)器官的密度和元素的質(zhì)量組成。4小體積元陣列轉(zhuǎn)換由于小體積元的數(shù)目非常大,如果直接在程序中引用所有的數(shù)據(jù),將會(huì)占據(jù)非常大的內(nèi)存空間。用查找表技術(shù)壓縮數(shù)據(jù)。首先給每個(gè)器官分配一個(gè)整數(shù),比如用1代表皮膚,2代表骨頭等。這樣每層就轉(zhuǎn)為一個(gè)由整數(shù)構(gòu)成的二維陣列。由于每一層陣列維數(shù)相同,把每一層小體積元中心點(diǎn)坐標(biāo)(x,y)相同的單元編上同樣的編號(hào)。再把這一層中同一器官連續(xù)編號(hào)的小體積元用起始編號(hào)和結(jié)束編號(hào)的區(qū)間來表示。如此就把代表此層的二維小體積元陣列變?yōu)橐粋€(gè)查找表。最后利用z坐標(biāo)作為這個(gè)查找表的索引。整個(gè)人體就轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)大的查找表。通過使用查找表技術(shù),能夠大幅度壓縮數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間。但由于每次需要到查找表中尋找當(dāng)前小體積元的位置和器官屬性,在壓縮數(shù)據(jù)的同時(shí)會(huì)大幅度提高計(jì)算時(shí)間。1.3面向?qū)ο蟮腸++語言編碼為了得到質(zhì)子在器官中的吸收劑量,可以通過MonteCarlo方法來計(jì)算。GEANT4Toolkits是由面向?qū)ο蟮腃++語言編寫,用戶既可以直接修改源代碼,又可以直接使用其提供的強(qiáng)大的支持,具有非常大的自由度和可擴(kuò)展性。以GEANT4Toolkits為基礎(chǔ),編寫了一套估算空間輻射劑量的程序。這個(gè)程序既能夠模擬初級(jí)質(zhì)子在人體內(nèi)的能量損失過程,包括電離激發(fā)和與人體組織發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生次級(jí)粒子沉積能量,也可以跟蹤質(zhì)子核反應(yīng)的次級(jí)粒子在人體內(nèi)的輸運(yùn)過程。2估算吸收劑的數(shù)量庫和例子2.1質(zhì)量分布的變化利用人體模型和輸運(yùn)程序,每隔5MeV為一個(gè)計(jì)算點(diǎn),計(jì)算了從10MeV到500MeV的單能質(zhì)子入射下各個(gè)器官的吸收劑量值。圖1給出11種輻射敏感器官的質(zhì)子能量-吸收劑量曲線圖。從圖1可以看到,對(duì)于各種器官而言,變化趨勢(shì)是相同的,都是先隨著質(zhì)子能量的升高,吸收劑量增大,在某一個(gè)能量點(diǎn)達(dá)到最大值,然后吸收劑量開始下降,最后趨于平緩。這種變化趨勢(shì)可以用人體幾何的有限性和質(zhì)子Bragg效應(yīng)來解釋。質(zhì)子的Bragg峰在人體里,隨著質(zhì)子能量升高,吸收劑量增加;Bragg峰移出人體,吸收劑量隨著質(zhì)子能量增加而減少。Bragg峰完全移出體外,曲線趨勢(shì)平緩。圖1中的甲狀腺和紅骨髓的能量-劑量曲線變化幅度比較大。這是因?yàn)榧谞钕袤w積小,紅骨髓分布廣,導(dǎo)致計(jì)算的誤差偏大,需要在后續(xù)的工作中做進(jìn)一步的改進(jìn)。2.2皮膚消耗量的計(jì)算圖2顯示的是1972年8月特大太陽質(zhì)子事件質(zhì)子的積分和微分通量譜。這個(gè)軌道是圓軌道,傾角為90°,高度為1000km。整個(gè)積分通量譜以及微分通量譜如圖2所示。依據(jù)本文算法,可以推導(dǎo)得到在此軌道環(huán)境下,此次特大質(zhì)子事件情況下造成的皮膚當(dāng)量劑量為9256cSv。按照文,在只有航天服屏蔽下此次特大太陽質(zhì)子事件的皮膚當(dāng)量劑量為9350cSv。這和本文估算結(jié)果是一致的。3arlo輸運(yùn)程序利用MRI斷層掃描圖像構(gòu)建人體三維計(jì)算模型,再利用GEANT4開發(fā)編寫質(zhì)子的MonteC